Virtuelle Akteure (Avatare)
Was sind Virtuelle Akteure?
Virtuelle Akteure sind eigentlich der wichtigste Bestandteil einer virtuellen Welt, sie stellen die Menschen in dieser Welt dar und machen diese erst vollkommen. Durch Avatare wird die Welt für den Menschen erst interessant. Durch sie kann man in der virtuellen Welt erst eine Kommunikation führen, und sich eine nach eigenen Vorstellungen "vollkommene" Welt schaffen.
Wenn man heute einen Abstecher in eine Virtuelle Welt macht, muß man oft mit sogenannten Walk-Through-Applikationen vorlieb nehmen. Man bewegt sich durch tote Gebäude und leere Räume. Es fehlt an Leben, Pflanzen, Tönen und vor allem an Menschen, und somit verliert eine dreidimensionale Welt schnell an Attraktivität. Denn wie allgemein bekannt, ist der Mensch ein Zoon Politikon (Gemeinschaftswesen). Was wäre eine virtuelle Welt ohne die bedeutendste Kommunikationsschnittstelle des Menschen - das Gesicht?
Doch die Forderung, realistische Animationen von Körper und Gesicht darzustellen, stellt 3D-Designer vor eine nahezu unlösbare Aufgabe. Die Tools, die den Designern zur Verfügung stehen, kommen ursprünglich aus dem CAD-Bereich. Damit lassen sich ohne Probleme Objekte mit einfachen geometrischen Formen erstellen. Das Modellieren eines Gesichts und Erzeugen von Muskel- und Lippenbewegungen erfordert eine umfangreiche Kleinarbeit, die nur wenige Spezialisten beherrschen.
Nicht nur durch Virtual Reality, sondern auch durch den zunehmenden Einsatz der Computeranimation im Film, gewinnt die Animation von Mensch und Tier an Bedeutung. Deshalb bieten inzwischen auch viele Animationsprogramme Zusatzmodule zur Generierung von Special Effects an.
Um die Echtzeitmanipulation der virtuellen Akteure zu ermöglichen, bedarf es jedoch neuer Modellier- und Animationsmethoden.
Die Genfer Professorin Nadja Magnenat Thalmann und ihr Ehemann Daniel haben sich die Lösung des Problems zur Lebensaufgabe gemacht. Frau Professor Thalmann ist wohl der Inbegriff für virtuelle Realität, auf diesem Gebiet ist sie wohl eine der größten Kapazitäten. Mit einem umfassenden Wissensschatz aus Biologie, Biochemie, Quantenmechanik, Nuklearphysik und Computerwissenschaften haben die beiden das Ziel "virtuelle Menschen" zu schaffen, die von lebendigen Personen nicht mehr zu unterscheiden sind. Einige Personen, wie Marilyn Monroe, Elvis Presley und James Dean, wurden als Beweis ihres Fortschritts schon zum Leben erweckt.
Wie entsteht ein virtueller Akteur?
Modellierung
Bei der Gestaltung eines Menschen fällt als erstes die Modellierung an. Die größten Schwierigkeiten bereitet hier das Gesicht, dem der Betrachter naturgemäß besonders viel Aufmerksamkeit schenkt.
Primitive Modelling nennt sich die klassische Modelliermethode, bei der eine Kugel als Grundlage für den Kopf und Zylinder als Basis für die Gliedmaßen dienen.Beim Modellieren stellt sich schnell heraus, daß die riesige Anzahl von Objekten in kürzester Zeit unüberschaubar wird.
Eine ähnliche, aber wesentlich angenehmere Methode ist das Benutzen von sogenannten Blobs (Metaballs bei Softimages).Hierbei handelt es sich um Kugeln, die von einer Art Kraftfeld umgeben sind, die ab einem gewissen Abstand verschmelzen. Mit Hilfe dieser Blobs lassen sich organische Strukturen leicht schaffen, aber Kanten und Konturen lassen sich hingegen nur sehr schwer herausarbeiten.
Der momentane Stand der Technik nennt sich Freiform Modeller, anhand von Splinelinien lassen sich hier frei gebogene Flächen definieren. Der abgebildete Kopf basiert auf diese Modelliermethode. Anhand einiger rotationssymetrisch angeordneter Linienzüge ließ sich ganz leicht eine gekrümmte Oberfläche, die sogar feine Details beinhaltet, schaffen. Diese Methode benötigt jedoch einiges an Erfahrung mit Splines und Freiformflächen, um aus einer übersichtlichen Anzahl von Linien die gewünschte Form zu erstellen.
Die Zukunft gehört wohl parametrischen Modelliermethoden, so was wie das Baukastenprinzip bei der Erstellung von Phantombildern. Die verschiedenen Ausprägungen wie Schädelbreite, Nasenlänge, Bartwuchs, Augenfarbe, etc. lassen sich in einige Dutzend Parameter fassen, diese dann über Schieberegler oder dreidimensionale Boundingboxen einstellen.Eine derartige Software ist mir momentan nicht bekannt, aber im Zuge der zunehmenden Bedeutung der Avatare wird das auch nicht mehr all zu lange dauern.
Wäre man bereit 50000-100000 DM zu investieren, würde das Modellieren ein 3D-Scanner übernehmen. Ein Laserscanner gekoppelt mit einem Videosystem für das Erfassen von Texturen erstellt das dreidimensionale Abbild. Danach sind in der Regel noch einige Änderungen nötig, da der Digitizer bei verdeckten Flächen, vor allem im Bereich der Haare und des Kinns, Fehler produziert.
Die Haare sind ohnehin eine Thema für sich. Die Menge an Haaren (150000), die feine deteilierte Geometrie eines jeden Haares, würden die Kapazität eines jeden Grafiksystems sprengen.
Zur Modellierung von Haaren haben die Thalmanns mit der selbstentwickelten Grafiksprache MIRA-3D ein Softwaremodul mit dem Namen "Hair Styler" entwickelt. Dabei wird ein Kopfhaut-Netz, das aus kleinen Dreiecken besteht, gebildet. Jedem Dreieck wird eine gewisse Satz von Haarsegmenten zugeordnet, die aus frei veränderbaren feinen Zylindern bestehen. Jetz kann für jedes Dreieck per Zufallsgenerator oder gezielt die Länge, die Ausrichtung und die Position verändert werden. Der daraus entstandene Schopf kann dann beliebig gestylt werden und er folgt sogar dem Wind.
Animation
Mit dem folgenden Zitat bringt Nadja Thalmann das Problem der Animation künstlicher Akteure auf den Punkt:
Die Form eines virtuellen Menschen zu schaffen, ist kompliziert, aber nur der erste Schritt, denn der spezielle Charakter hängt ganz von Faktoren wie den Körperbewegungen und seiner Persönlichkeit ab, die durch subtile Änderungen im Gesichtsausdruck und anderen Gesten bestimmt werden.
Zur realistischen Animation der Gliedmaßen stehen in Form der inversen Kinematik und dem Motion Capturing in allen gängigen Computeranimationsprogrammen leistungsfähige Tools zur Verfügung, mit denen in kurzer Zeit beeindruckende Ergebnisse zu erzielen sind.
Bei der inversen Kinematik werden die Gliedmaßen durch ein unsichtbares Skelett zusammengehalten, das sich über Definitionen von Reibungskräften an den Gelenken durch Bewegen der Endpunkte bewegen läßt.
Motion Capturing geht noch einen Schritt weiter, hier werden die Bewegungen von Referenzpersonen über optische oder elektromagnetische Trackingsysteme, oder auch über einen Datenanzug, in Echtzeit auf die Avatare übertragen. Trackingsysteme wie das Ultratrack-System der Firma Pholemus helfen Echtzeitmanipulatuonen auf die Akteure in virtuellen Welten zu übertragen.
Ausgerechnet bei der Gesichtsanimation, bei der jede Änderung der Mimik etwas bestimmtes ausdrückt, muß man noch auf Animationsmethoden aus der Prä-Computer-Ära zurückgreifen. Meist müssen durch Bewegen einzelner Punkte Keyframes (Schlüsselbilder) definiert werden, die von der Animationssoftware linear ineinandergeschoben werden. Da es in der Natur keine linearen Bewegungen gibt, müssen eine Unzahl von Schlüsselbildern erstellt werden, dies setzt aber großes Können und Geduld voraus. Wenn man den betriebenen Aufwand betrachtet, sind die Ergebnisse eher bescheiden, die Bewegungen wirken oft unnatürlich und abgehackt. Diese Methode ist für die Definition von Bewegungsmustern ohnehin nicht geeignet.
Zur Lösung des Problems entwickelte Nadja Thalmann in den Miralabs der Universität Genf ein parametrisches, hierarchisches Gesichtsmodell namens SMILE. Hierbei liegt die Annahme zugrunde, das sich alle Gesichtsbewegungen, wie Lippen-, Kiefer-, und Augenbewegungen, in kleinste wahrzunehmende Einheiten (MPAs - Minimal Perceptive Actions) zerlegen lassen. Die in hierarchisch gegliederte Bewegungsmuster so zusammengefaßt werden, daß sie auf Verhaltensbeschreibungen zurückzuführen sind.
Die oberen Hierarchieebenen beschreiben 'was zu tun ist', die unteren, 'wie es zu tun ist'. Somit wird der untere Layer durch die Gesichtsgeometrie, und der höhere Layer von Ausdruck, Emotionen und Sätzen bestimmt. Durch die hierarchische Ableitung ist es möglich, einen eindeutig definierten Satz an MPAs zusammenzustellen. Will man jetzt einen Avatar sprechen lassen, reicht es wenn man die Worte in ein Mikrophon spricht, das Programm sorgt dann für die richtige Ausführung und Mimik. Der sogenannte Face Deformation Controller berechnet aus dem Datensatz, bestehend aus Phonomen zur Definition der Lippenstellung, sowie einem Satz an MPAs, einen neuen mimischen Ausdruck.
Entgegen anderer Verfahren, erlaubt dieses Konzept das simultane Verknüpfen von Sprache, Emotion und Kopfbewegungen über eine einfache Programmiersprache. Der entscheidende Vorteil dieses Prinzips ist seine Echtzeitfähigkeit. Soll eine Dame einem Verehrer einen Korb geben, dann sieht die Syntax folgendermaßen aus:
SAY 'nie und nimmer schau ich dir in die augen kleiner'
while-LOOKING left-right
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Was für virtuelle Akteure gibt es?
In der virtuellen Welt gibt es verschiedene Arten von Akteuren. Diese unterscheiden sich in ihrer Art, ihren Eigenschaften iren Möglichkeiten, und ihrer Bedienung. Hier sehen sie nun eine Auflistung der verschiedenen Arten und ihrer Eigenheiten.
Tabelle 7-1. Arten von Avataren und ihre Eigenschaften
| Aktionen | Pure Avatars | Guided Actors | Autonomous Actors | Interactive Perceptive Actors |
|---|---|---|---|---|
| Bewegen auf einer Ebene | Nur mit komplettem Sensorsatz möglich | Benötigt einen Laufmotor und eine Prozedur zur Eingabe der Geschwindigkeit und der Schrittgröße | Benötigt einen Laufmotor | Benötigt einen Laufmotor |
| Bewegen in unebenen Gefielden | Nur mit komplettem Sensorsatz möglich | Mit den derzeitigen Modellen nicht möglich | Schwer, einen generellen Laufmotor zu haben, genetische Algorithmen sind vielversprechend | Schwer, einen generellen Laufmotor zu haben, genetische Algorithmen sind vielversprechend |
| Objektmanipulation | Möglich mit Datenhandschuh, Feedback ist schwer zu implementieren, Feintuning kann weiterhelfen | Benötigt inverse Kinematik | Möglich mit einer automatischen Prozedur | Möglich mit einer automatischen Prozedur |
| Umgehen von Hindernissen | Nicht möglich | Kann mit Hilfe der Graph Theory implementiert werden | Navigation auf visueller Basis | Navigation auf visueller Basis |
| Erkennen von Gestiken | Nicht vorausgesetzt (unterstützt ?) | Nicht vorausgesetzt | Allgemein nicht vorausgesetzt | Sollte vorausgesetzt sein |
| Gesichtsanimation | Möglich mit einer Videokamera | Wird von ein paar Parametern unterstützt | Modellbasierte Animation | Sollte vorausgesetzt (unterstützt) werden |
| Kommunikation mit anderen Akteuren | Kommunikation ist nicht computergeneriert | Kommunikation ist nicht computergeneriert | Begrenzte Kommunikation | Wahrnehmungsbasierte Kommunikation (Verbal und Stumm) |
| Kommunikation mit einem Benutzer | Entspricht einer Kommunikation zwischen Benutzern | Entspricht einer Kommunikation zwischen Benutzern | Generell nicht unterstützt | Einfach über den Avatar, der dem Benutzer entspricht |
Wo werden Virtuelle Akteure eingesetzt?
Inzwischen gibt es schon einige Gebiete in denen virtuelle Akteure erfolgreich eingesetzt werden. Mal ganz von den Gedanken der Verfechter der virtuellen Realität abgesehen, die heutzutage aufgrund der mangelnden Intelligenz der Avatare leider noch nicht umzusetzen sind.
Eines der erfolgreichsten und bekanntesten Einsatzgebiete einfacher virtueller Akteure sind Spiele. Tomb Raider ist wohl das bekannteste und berümteste Spiel. Hier schlüpft der Benutzer in die virtuelle Person namens Lara Croft, über die der Benutzer sich in einer virtuellen Welt voller Gefahren und Abenteuer bewegt. Lara macht alles (fast alles!) was ihr der Benutzer 'sagt'.
Wie man sehen kann, können virtuelle Akteure auch ziemlich reizvolle Wesen sein.
Einige Fernsehsender wie Sat 1, Kabel 1 usw. setzen virtuelle Welten und virtuelle Akteure in Sendungen ein. Hier moderiert dann keine 'reelle' Person, sondern es wird ein virtueller Moderator eingesetzt, mit dem sich bei Quizsendungen die Kandidaten unterhalten.
Ein ganz großes Gebiet in dem virtuelle Akteure eingesetzt werden können, auf dem es noch einige Probleme gibt, ist der Einsatz von virtuellen Verkaufshelfern. Dieses Gebiet gewinnt mehr und mehr an Bedeutung, vor allem für die Industrie. Somit könnte man nämlich virtuelle Verkaufsräume schaffen, in denen Avatare die Rolle der Verkäufer und Berater übernehmen und sie würden rund um die Uhr zur Verfügung stehen.
Das hört sich natürlich sehr schön an, und man frägt sich wieso man das nicht einfach macht. Damit kommen wir zur KI (Künstlichen Intelligenz), an der sehr intensiv gearbeitet wird, aber man erst am Anfang einer langen, hoffentlich erfolgreichen, Entwicklung steht. Wenn ein virtueller Verkaufshelfer eingesetzt werden soll, wie Jennifer James in der Kundenberatung, muß der Avatar individuelle Fragen beantworten können. Er müßte auf die Fragen der Kunden eingehen und antworten können. Das ist momentan nur im beschränkten Maß möglich. Der Avatar muß auf eine Datenbank zurückgreifen, was auch einen sehr großen Datenaufwand voraussetzt, und von dort eine mögliche Antwort raussuchen. Das heißt, er hat nur eine beschränkte Möglichkeit von Antworten, der Kunde könnte mit offenen Fragen zurückbleiben.
Eines dieser Projekte ist das Projekt Jennifer James die als Kundenberaterin in einem virtuellen Autoverkaufsraum eingesetzt wird.
Wie man sehen kann sind die virtuellen Akteure ein ganz wichtiger Punkt in der virtuellen Welt, der noch einige Probleme mit sich bringt. Wenn die Forschung mal so weit ist, Avatare zu implementieren, die selber 'denken' und Entscheidungen fällen können, dann könnte man nahezu vollkommene virtuelle Welten schaffen, dies liegt aber leider noch in einer relativ fernen Zukunft, die hoffentlich mal erreicht wird.